一種海洋浮標(biāo)岸站的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

田炳麗　胡坤　劉志豪

摘要：岸站是海洋浮標(biāo)系統(tǒng)的重要組成部分。基于此，對岸站總體設(shè)計進(jìn)行了描述，介紹了接口設(shè)計，并針對各部分程序的運行流程，創(chuàng)新性地提出了利用JSON進(jìn)行文件的配置和存儲，JSON易于人閱讀和編寫，同時也易于機(jī)器解析和生成，且能有效提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。該軟件應(yīng)用到實際的海洋浮標(biāo)中，獲得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：海洋浮標(biāo);岸站;Ubuntu

0 引言

海洋浮標(biāo)是觀測大氣和海洋參數(shù)最重要的平臺之一，其中觀測的氣象傳感器有風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣溫傳感器、氣壓傳感器、相對濕度傳感器、長波輻射傳感器、短波輻射傳感器等;觀測的水下傳感器有海水溫度傳感器、鹽度傳感器、深度傳感器等。浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集控制器按照一定的觀測要求采集數(shù)據(jù)后，每3 h通過銥星模塊把數(shù)據(jù)從浮標(biāo)端發(fā)送到岸站端，岸站有自動運行的軟件接收、處理浮標(biāo)數(shù)據(jù)。本文設(shè)計了一種海洋浮標(biāo)岸站的軟件，并且基于Ubuntu18.04×64位系統(tǒng)上的gcc version 7.4.0編譯器編譯生成在此系統(tǒng)下的可執(zhí)行文件[1-2]。

1 軟件總體設(shè)計

1.1? ? 軟件設(shè)計需求

（1）實時接收浮標(biāo)返回的數(shù)據(jù);（2）以相應(yīng)格式存儲采集到的數(shù)據(jù);（3）相應(yīng)時間內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)通過FTP推送給客戶。

1.2? ? 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，軟件包含配置解析、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)推送等部分，各部分負(fù)責(zé)不同的任務(wù)。

1.3? ? 系統(tǒng)運行流程

程序總的運行流程圖如圖2所示，系統(tǒng)開機(jī)讀取配置，得到通信的銥星號碼，創(chuàng)建串口的監(jiān)聽線程，每3 h從岸站端給浮標(biāo)端撥號，撥號成功后，在監(jiān)聽到串口收到數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)保存。當(dāng)接收完一包數(shù)據(jù)時，首先按照相應(yīng)的格式存儲數(shù)據(jù)，其次調(diào)用事先保存到程序執(zhí)行目錄的FTP腳本文件將數(shù)據(jù)保存目錄文件夾進(jìn)行FTP上傳，推送給客戶。

2 接口設(shè)計

岸站系統(tǒng)的通信接口有串口、網(wǎng)口。圖3列出了系統(tǒng)的全部接口，裝有Ubuntu系統(tǒng)的PC機(jī)通過多串口拓展器與銥星模塊相連，通過網(wǎng)線連接至互聯(lián)網(wǎng)。浮標(biāo)數(shù)據(jù)通過銥星模塊的串口輸入至岸站程序，岸站程序在采集保存后進(jìn)行FTP推送。

其中，多串口拓展器（圖4）具備防浪涌設(shè)計，RS232和USB端口都增加了防浪涌保護(hù)，避免因地線回路電樁、浪涌、感應(yīng)雷擊、靜電、頻繁插拔燒損接回等環(huán)境因素對設(shè)備的損毀，從而提高系統(tǒng)抗干擾特性（設(shè)備運營穩(wěn)定性）。由于浮標(biāo)與岸站的傳輸是跨海長距離通信，此串口轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶有零延時自動收發(fā)功能，抗干擾，有利于較長距離的數(shù)據(jù)通信。

3 各部分程序運行流程

3.1? ? 配置解析程序

配置文件采用JSON格式編寫，JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，它基于ECMAScript（歐洲計算機(jī)協(xié)會制定的js規(guī)范）的一個子集，采用完全獨立于編程語言的文本格式來存儲和表示數(shù)據(jù)。簡潔和清晰的層次結(jié)構(gòu)使得JSON成為理想的數(shù)據(jù)交換語言，易于人閱讀和編寫，同時也易于機(jī)器解析和生成，且能有效提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

本程序采用C語言編寫，在解析配置文件時，采用了C語言的標(biāo)準(zhǔn)JSON庫進(jìn)行解析，主要從JSON格式的配置文件中解析出浮標(biāo)位置、任務(wù)計劃名稱和通信銥星號碼等，如圖5所示。在程序執(zhí)行時，首先讀取JSON配置文件，然后將JSON文件解析保存到定義的全局結(jié)構(gòu)體變量中，作為之后函數(shù)調(diào)用的入口參數(shù)。

3.2? ? 數(shù)據(jù)獲取程序

數(shù)據(jù)獲取主要是創(chuàng)建了一個串口的監(jiān)聽線程實現(xiàn)程序的并發(fā)性。多線程和進(jìn)程相比，是一種非?！肮?jié)儉”的多任務(wù)操作方式。在Linux系統(tǒng)下，啟動一個新的進(jìn)程必須分配給它獨立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護(hù)它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，是一種“昂貴”的多任務(wù)工作方式。而運行于一個進(jìn)程中的多個線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動一個線程所占用的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動一個進(jìn)程所占用的空間，而且，線程間彼此切換所需的時間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時間。對不同進(jìn)程來說，它們具有獨立的數(shù)據(jù)空間，數(shù)據(jù)的傳遞只能通過通信的方式進(jìn)行，這種方式不僅費時，而且很不方便。線程則不然，由于同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個線程的數(shù)據(jù)可以直接為其他線程所用，這不僅快捷，而且方便。

數(shù)據(jù)獲取線程流程圖如圖6所示。在線程創(chuàng)建后便開始執(zhí)行線程，首先設(shè)置了Select多路復(fù)用串口的超時值，此處串口采用Select方式使用，保證其具有阻塞性的同時也具備了超時判斷。每60 s為一次讀取的周期。之后清空系統(tǒng)內(nèi)部的串口數(shù)據(jù)緩存區(qū)，保證下次接收的數(shù)據(jù)是干凈的。此時若有數(shù)據(jù)到來，則會判斷此數(shù)據(jù)為何種數(shù)據(jù)。銥星通信具有不穩(wěn)定性，時常因為信號不良而出現(xiàn)中斷，如果出現(xiàn)中斷情況，串口會收到“NO CARRRIER”數(shù)據(jù)，程序?qū)⒋俗鳛閽鞌嘈畔⑴袛?，如若掛斷，則重新?lián)芴?。其次，浮?biāo)端規(guī)定了浮標(biāo)數(shù)據(jù)的幀格式，串口收到的數(shù)據(jù)判斷出符合浮標(biāo)數(shù)據(jù)的幀頭時，則會保存到本地，之后通過FTP上傳。

3.3? ? 數(shù)據(jù)存儲程序

系統(tǒng)程序的主線程一直在讀取系統(tǒng)時間，并將時間保存在Linux下一個時間相關(guān)的結(jié)構(gòu)體中，此程序中創(chuàng)建了一個結(jié)構(gòu)體的全局變量。由于浮標(biāo)采用UTC時間，Ubuntu系統(tǒng)默認(rèn)也是用UTC時間。在串口監(jiān)聽線程中的數(shù)據(jù)存儲環(huán)節(jié)，根據(jù)當(dāng)前時間對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行命名保存，并且存儲為JSON格式。命名如：BLBuoy_RAMA2001_20190520_

02_34_MET.json。數(shù)據(jù)存儲流程如圖7所示。

3.4? ? 數(shù)據(jù)推送程序

Ubuntu系統(tǒng)中，vsftpd可以說是很安全的一個ftp文件系統(tǒng)，通過輸入命令（vsftpd： sudo apt-get install vsftpd-y）在線安裝。安裝完成后，通過命令開啟（sudo systemctl start vsftpd.service）服務(wù)。在程序執(zhí)行前，vsftpd的相關(guān)配置就已經(jīng)配置完成，用戶的uftp地址輸入到vsftpd.user_list文件中;“/home/ftp”作為推送的文件夾目錄。在岸站程序根目錄下創(chuàng)建一個名為ftp.sh的腳本文件，在程序中調(diào)用這個腳本即可上傳保存到本地的浮標(biāo)數(shù)據(jù)文件至服務(wù)器。

Shell腳本模板如圖8所示。在腳本中配置好服務(wù)器的IP和用戶密碼后，其會將浮標(biāo)存儲的文件夾內(nèi)所有文件上傳。

4 結(jié)語

該軟件由C語言進(jìn)行程序的編寫，其中調(diào)用了基于Shell腳本語言的腳本文件?；赨buntu18.04×64位系統(tǒng)上的gcc version 7.4.0編譯器編譯生成在此系統(tǒng)下的可執(zhí)行文件。岸站程序功能主要包含了定時進(jìn)行對浮標(biāo)端數(shù)據(jù)的獲取、存儲、FTP推送，岸站系統(tǒng)能實現(xiàn)自主運行。岸站系統(tǒng)搭載了工業(yè)級串口拓展模塊，由其連接銥星通信所需的模塊。浮標(biāo)通過銥星與地面岸站建立實時的通信，岸站系統(tǒng)能夠接收浮標(biāo)實時返回的數(shù)據(jù)，存儲并且通過FTP推送給客戶。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 許欣欣.海洋監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究及應(yīng)用[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（24）：180.

[2] 鄭苗壯，劉巖，李明杰，等.我國海洋資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及趨勢[J].海洋開發(fā)與管理，2013，30（12）：13-16.

收稿日期：2021-01-28

作者簡介：田炳麗（1976—），女，山東高密人，碩士，講師，主要從事自動化控制、數(shù)字信號處理方面的研究工作。